Анемометр

Анемометр — это прибор для измерения скорости движения газов и воздуха, а также для определения направления воздушного потока. Относится к классу метеорологических и аэродинамических измерительных инструментов. Основная функция анемометра — преобразование кинетической энергии движущейся воздушной массы в механическое или электрическое показание, которое затем калибруется в единицах скорости (обычно метры в секунду, километры в час, узлы или футы в минуту). В зависимости от конструкции, анемометры могут измерять как мгновенную скорость ветра, так и её среднее значение за определённый промежуток времени.

История

Первые попытки количественной оценки скорости ветра относятся к XV веку. В 1450 году итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти описал устройство, в котором сила ветра определялась по отклонению лёгкой пластины. Однако первым практически применимым анемометром считается прибор, созданный в 1667 году английским учёным Робертом Гуком. Его конструкция представляла собой вращающуюся вертушку с лопастями, соединённую с механическим счётчиком оборотов.

Значительный вклад в развитие анемометрии внёс ирландский астроном и физик Джон Томас Ромни Робинсон. В 1846 году он изобрёл чашечный анемометр, который стал стандартом для метеорологических наблюдений на протяжении более ста лет. Робинсон также вывел эмпирическое соотношение между скоростью вращения чашек и истинной скоростью ветра, хотя его первоначальные расчёты содержали погрешность, исправленную позднее.

В XX веке с развитием электроники и аэродинамики появились более точные и компактные типы анемометров: термоанемометры, ультразвуковые и лазерные доплеровские анемометры. Современные приборы способны измерять не только скорость, но и турбулентность потока, его температуру и влажность.

Классификация

Анемометры классифицируются по принципу действия, конструкции и области применения. Основные типы:

Механические анемометры

Принцип действия основан на взаимодействии воздушного потока с подвижными элементами (чашками, крыльчаткой, лопастями). Вращение передаётся на счётчик оборотов или генератор.

• Чашечный анемометр — наиболее распространённый тип. Состоит из трёх или четырёх полусферических чашек, закреплённых на горизонтальных рычагах, вращающихся вокруг вертикальной оси. Скорость вращения пропорциональна скорости ветра. Недостаток — инерционность, не позволяет измерять резкие порывы.
• Крыльчатый анемометр (лопастной) — имеет лёгкую крыльчатку (винт) с несколькими лопастями, установленную на горизонтальной оси. Прибор ориентируется навстречу потоку. Используется для измерения скорости воздуха в вентиляционных каналах, шахтах, трубопроводах. Более чувствителен к малым скоростям, чем чашечный.

Термоанемометры

Основаны на зависимости теплоотдачи нагретого элемента от скорости обдувающего его потока. Чем выше скорость воздуха, тем интенсивнее охлаждение датчика (термистора, термопары или тонкой проволоки). Измеряется либо ток, необходимый для поддержания постоянной температуры, либо изменение температуры датчика при постоянном токе нагрева.

• Термоанемометр с постоянной температурой (CTA) — обеспечивает высокое быстродействие, используется для исследования турбулентности.
• Термоанемометр с постоянным током (CCA) — проще конструктивно, но менее точен при резких изменениях скорости.

Ультразвуковые анемометры

Принцип действия — измерение времени прохождения ультразвукового импульса между двумя или тремя парами пьезоэлектрических преобразователей. Скорость звука в движущейся среде складывается со скоростью потока. По разнице времени прохождения сигнала «по потоку» и «против потока» вычисляется скорость ветра. Такие приборы не имеют движущихся частей, отличаются высокой точностью, долговечностью и способностью измерять также направление ветра (двух- и трёхкомпонентные модели).

Лазерные доплеровские анемометры (LDA)

Используют эффект Доплера: частота лазерного излучения, рассеянного на движущихся частицах (пыли, аэрозолях) в воздушном потоке, изменяется пропорционально скорости частиц. Позволяют измерять скорость в одной точке потока без внесения возмущений. Применяются в научных исследованиях аэродинамики, в авиастроении и для калибровки других анемометров.

Анемометры с нагреваемой нитью (струнные)

В простейшем варианте — две нити (одна нагревается, другая — эталонная). Охлаждение нагретой нити ветром изменяет её сопротивление, что регистрируется измерительной схемой. Устаревший тип, вытесненный термоанемометрами.

Устройство и характеристики

Конструкция механического анемометра включает:

• Чувствительный элемент (ротор с чашками или крыльчаткой).
• Ось вращения с подшипниками (обычно шариковыми или игольчатыми для снижения трения).
• Счётный механизм (механический — червячная передача и циферблат; или электронный — геркон, фотоэлектрический датчик, импульсный генератор).
• Корпус (защищает механизм от осадков и пыли).

Основные характеристики:

• Диапазон измерений: от 0,1–0,3 м/с (порог трогания) до 30–60 м/с и выше (для ураганных ветров).
• Погрешность: для механических — 5–10 %; для ультразвуковых — 1–3 %; для термоанемометров — 2–5 %.
• Инерционность (постоянная времени): определяет способность отслеживать быстрые изменения скорости. Механические анемометры имеют инерционность 1–5 секунд, термоанемометры — до 0,01 секунды.
• Рабочая температура: от −50 °C до +60 °C (для метеорологических моделей).

Применение

Анемометры используются в различных сферах:

• Метеорология — для измерения скорости и направления ветра на метеостанциях, в составе автоматических метеорологических комплексов. Данные используются для прогноза погоды, предупреждения о штормах и ураганах.
• Авиация — на борту самолётов (приёмники воздушного давления, работающие по принципу анемометра) для определения воздушной скорости. На аэродромах — для оценки ветровых условий взлёта и посадки.
• Вентиляция и кондиционирование — для контроля скорости воздуха в воздуховодах, шахтах, чистых помещениях. Используются крыльчатые и термоанемометры.
• Энергетика — для оценки ветроэнергетического потенциала местности, калибровки ветрогенераторов и мониторинга их работы.
• Промышленная безопасность — в шахтах, на химических производствах для контроля скорости вентиляции и предотвращения загазованности.
• Спорт — в парусном спорте, парашютизме, виндсёрфинге для оценки ветровых условий.
• Научные исследования — в аэродинамических трубах, при изучении турбулентности, пограничного слоя атмосферы.

Интересные факты

• Самый сильный порыв ветра, зафиксированный анемометром, был зарегистрирован 10 апреля 1996 года на острове Барроу (Австралия) — 408 км/ч (113 м/с). Прибор был разрушен после измерения.
• В России первые регулярные инструментальные наблюдения за ветром с помощью анемометров начались в середине XIX века на метеостанциях Главной физической обсерватории (Санкт-Петербург).
• Ультразвуковые анемометры способны измерять не только скорость, но и виртуальную температуру (по скорости звука), что позволяет рассчитывать тепловые потоки в атмосфере.
• В бытовых метеостанциях часто используются анемометры с герконовым датчиком: вращение чашек замыкает контакты геркона, и микроконтроллер подсчитывает количество импульсов за единицу времени.

Источники

1. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
2. Руководство по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений. — ВМО, 2018.
3. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Издательство стандартов, 1985.
4. Аэродинамические измерения: методы и приборы / Под ред. В. М. Ковригина. — М.: Машиностроение, 1990.
5. ГОСТ 6376-74. Анемометры чашечные и крыльчатые. Технические условия.